Wälzlager - 15/09/2024
Neues Gasturbinen-Generatorlager ermöglicht längere Flüge mit eVTOL-Flugzeugen
NSK hat ein neues Gasturbinen-Generatorlager speziell für den Einsatz in senkrecht startenden und landenden Flugzeugen mit Elektroantrieb (eVTOL) sowie in großen Drohnen vorgestellt. Zu den wichtigsten Eigenschaften des Lagers gehören eine erhöhte dynamische Tragzahl und die um etwa 80% reduzierte Schmierstoffzufuhr. Damit leistet das Lager einen Beitrag zu einer erheblich längeren Flugreichweite.
Senkrecht startenden und landenden Flugzeugen mit Elektroantrieb (eVTOL) wird ein hohes Marktvolumen prognostiziert. Anders als bei Elektroautos wird bei ihnen der nötige Strom nicht von Batterien bereitgestellt, sondern im Flugzeug selbst durch eine Gasturbine erzeugt. Hier bietet sich der Einsatz von gasturbinenbetriebenen Generatoren an. Sie unterscheiden sich dadurch von anderen Hybridmotorenkonzepten, dass sie z.B. Biokraftstoffe und Wasserstoff nutzen können. Das macht sie aus Sicht der angestrebten Kohlenstoffneutralität attraktiv. Deshalb sind Gasturbinen-Generator-Kombinationen aus heutiger Sicht die beste Wahl für praxisgerechte Antriebssysteme von künftigen eVTOL-Flugzeugen.
Im Fokus der Entwicklung steht hier aktuell die Vergrößerung der Flugreichweite. Dazu können auch die Hochgeschwindigkeitslager in den Generatoren und den Gasturbinen beitragen. NSK hat daher für diese Anwendung ein Lager mit einen Drehzahlkennwert (Teilkreis x Drehzahl) von mehr als 2,5 Mio dm*n entwickelt. Darüber hinaus ist es gelungen, diese sehr hohe Tragzahl mit minimierter Schmierung zu erreichen.
Möglich ist dies, weil auf die gängigste Schmierungsart für Hochgeschwindigkeitslager – die Spritzschmierung – verzichtet wird. Sie erfordert eine große Menge an Schmieröl und verursacht hohe Leistungsverluste. Als Alternative bietet sich die Bereitstellung minimaler Schmiermittelmengen über Kanäle des Gehäuses und Kanäle in den rotierenden Distan-zhülsen auf der Welle an. Die Auslässe der Kanäle ragen zwischen Innenring und Käfig in die Lager hinein, um so das Öl direkt an die Kugeln zu leiten. Diese Methode überzeugt durch minimalen Leistungsverlust und Ölverbrauch. Sie sie aber aufwendig in der Konstruktion und benötigt Platz im Aggregat.
Diese Art der Schmiermittelversorgung hat NSK jetzt umgesetzt, allerdings mit optimierter Bauweise der Käfige und offenen Borden an den Innenringen. Der Schmierstoff wird in den Kanälen bevorratet. Durch die Zentrifugalkraft bei der Rotation der Welle wird kontinuierlich eine sich selbst regelnde geringe Ölmenge transportiert. Die Innovation besteht hier u.a. in der Optimierung der Kanäle mit dem Ziel, die Transportfähigkeit einer geringen Menge an Öl zu den Lagern zu gewährleisten.
In der Praxis reduziert diese neue Art der Schmierung die Schmierölmenge im Vergleich zur herkömmlichen Spritzschmierung auf rund 25%. Zugleich wird die Verlustleistung um ein Drittel reduziert. Außerdem ist diese Lösung vielseitig und kostengünstig. Ein weiterer Vorteil für Erstausrüster besteht darin, dass Ölversorgungspumpen und Schmierstofftank kleiner und damit leichter ausgeführt sein können. Das wirkt sich ebenfalls positiv auf die Flugreichweite der eVTOL-Flugzeuge aus.
Foto: Die Reichweite eines eVTOL-Flugzeugs hängt von vielen Faktoren ab – unter anderem von der Performance und der (möglichst geringen) Reibung der Wälzlager in den Gasturbinen-Generator-Einheiten.
(Foto: Aero Development Japan, Inc.)
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